(57)【要約】【解決すべき課題】 汚損され粗な表面の振動の非接触検出に適し、小型で取り扱いが簡便で、かつ安価な振動検出手段を提供して、構造物を効率よく検査できる方法、および装置を実現すること。【解決手段】 音波を発生して検査対象表面に照射し、対象表面の近傍で音響インテンシティーを測定して、測定された音響インテンシティーに基づいて検査対象の状態を推定することからなる音響式検査方法、そのために用いられる装置。【選択図】図１
2006047162.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
音波を発生して検査対象表面に照射し、対象表面の近傍で音響インテンシティーを測定
して、測定された音響インテンシティーに基づいて検査対象の状態を推定することを特徴
とする音響式検査方法。
【請求項２】
音波を発生して検査対象表面に照射する手段と、対象表面の近傍に位置して音響インテ
ンシティーを測定する手段と、測定された音響インテンシティーに基づいて検査対象の状
態を推定する処理手段とを備えることを特徴とする音響式検査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、構造物の検査方法及び検査装置に関わる。本発明は、特に、コンクリート構
造物の欠陥部検出、建築物壁面の欠陥部検出、層構造表面を持つ物体の剥離検出等に好適
な、音波を利用した非破壊・非接触検査方法及び非破壊・非接触検査装置に関わる。
【背景技術】
【０００２】
構造物、例えばコンクリート構造物は、構築の後年月を経ると、地震、風水害、凍結等
に起因するコンクリート自体の劣化、あるいは内部の鉄筋の腐食によって、亀裂や空洞等
の欠陥を生じるようになる。これらの欠陥は、構造物の内部に発生し、目視で発見できな
い場合が多い。橋梁、トンネル、建物などのコンクリート構造物にこのような欠陥がある
と、剥離してコンクリート片が落下し、人命に関わる重大な事故につながる恐れもある。
このように、構造物の内部欠陥の検査は重要な課題である。
【０００３】
従来から、打音法などを用いて、構造物の欠陥の検査が行われている。打音法は、被検
査構造物の表面にハンマーなどで打撃を加え、このときに構造物に発生する振動を、構造
物表面から放射される音響信号の形で検出して、構造物の状態を推定する。しかし、打音
法では、構造物を人手によっていちいち打診するという手間のかかる作業が必要であり、
効率的な検査が難しい。また、試験者が音響信号を耳で聞いて判断するため、判定は、試
験者の経験と勘に依存し、定量化が困難であるという問題点がある。
【０００４】
特許文献１には、超音波発信機を構造物に接触させ、発信超音波の反射信号を検知して
解析することにより構造物の欠陥を検査する装置及び方法が記載されている。この発明に
代表される超音波を用いた方法では、打音法における不確かさの問題点は解消されている
。しかし、検査装置を検査構造物に接触させる必要があり、超音波のビーム方向の狭い領
域を検査対象領域とする方法であるため、大きな構造物全体を検査対象にする場合には莫
大な検査時間を要する。また、対象表面に沿って走査しながら検査を実施することも容易
ではない。
【０００５】
本発明者らは、音波を用いて非破壊・非接触で構造物の欠陥を検査する音響式検査方法
及び音響式検査装置を見出し、特許文献２に記載された発明として提案した。音響式検査
方法及び音響式検査装置は、検査対象表面に低周波の音波を照射して対象表面を加振し、
この時に励起される表面の振動を検出して、内部の欠陥を推定する。本発明は、この特許
文献２の発明を展開させたものであり、音波によって励起された検査対象表面の振動の検
知手段に関わるものである。
【特許文献１】特開平７−２４８３１７
【特許文献２】特開２００４−６９３０１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
被検査構造物が、滑らかで光を反射する表面を持つ場合には、特許文献２中の実施例に
記載されているようにレーザードップラー振動計を用いて、表面の微小な振動を検知する
ことが可能である。しかし、レーザードップラー振動計は、価格が高く、光学系を有する
ために取り扱いに注意が必要である。そして、屋外にある構造物では、常に日射や風雨に
曝されているため、その表面は汚損され非常に粗となっている場合が多い。この場合には
、レーザードップラー振動計や光学式の変位センサーは、安定して振動を検出することが
できない。一方、加速度ピックアップ、渦電流式や静電容量式の変位検出センサーは、比
較的低価格で取り扱いも簡便ではあるが、対象表面に接触させるか、対象が非導電性の場
合マーカーを張り付けるなどの操作を必要とし、非接触での検査は困難である。このよう
に、汚損され粗な表面については、非接触で振動を検出する適当な手段は見当たらないの
が現状である。
【０００７】
本発明は、汚損され粗な表面の振動の非接触検出に適し、小型で取り扱いが簡便な、な
おかつ安価な振動検出手段を提供して、構造物を効率よく検査できる方法および装置を実
現することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、音波を発生して検査対象表面に照射し、対象表面の近傍で音響インテンシテ
ィーを測定して、測定された音響インテンシティーに基づいて検査対象の状態を推定する
ことからなる音響式検査方法である。
【０００９】
別の面から見ると、本発明は、音波を発生して検査対象表面に照射する手段と、対象表
面の近傍に位置して音響インテンシティーを測定する手段と、測定された音響インテンシ
ティーに基づいて検査対象の状態を推定する処理手段とを備えることからなる音響式検査
装置である。
【００１０】
対象表面近傍の音響インテンシティーは、対象表面の振動状態の関数であり、実数部は
、対象表面に入射した音響エネルギーのうち対象内部で散逸するエネルギーの大きさに比
例し、虚数部は、対象表面の機械インピーダンスのリアクタンスに依存する。したがって
、測定された音響インテンシティーに基づいて、対象表面の振動状態、更には内部欠陥の
状態を推定することが可能となる。  
【発明の効果】
【００１１】
本発明の音響式検査装置および音響式検査方法によれば、スピーカーとマイクロホンを
主要素とする簡便な装置で構造物内部の欠陥を検査することができる。また、本発明の検
査方法は、超音波式の検査法と比較して、被検査物体のより大域的な状態を推定すること
が可能である。さらに、本発明の検査装置および検査方法は、非接触式であるため、構造
物の形状に左右され難く、被検査構造物表面に沿って走査しながら検査を行うことが容易
である。走査を行うことによって、被検査構造物の欠陥の深さと分布に関する二次元的情
報を得ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態につき図面を参照して詳細に説明する。
【００１３】
図１は、本発明の一実施の形態に係る音響式検査装置の一例を示した概略図である。図
１において、１はスピーカー、２が被検査物であり、本実施例ではコンクリート構造物で
ある。３はコンクリート構造物の表面、４は、コンクリート内部の空洞、５および５’は
コンデンサーマイクロホン、６、６’は増幅器、７はパーソナルコンピューター、８はパ
ワーアンプである。
【００１４】
（音波発信手段）
本発明では、音波を用いて対象構造物を加振する。被検査構造物に向かって照射する音
波は、スピーカーなどの電気音響変換器によって放射する。照射する音波の波形は、図１
の装置例では正弦波を用いているが、正弦波に限定される訳ではない。音波の振幅および
周波数は、パーソナルコンピューター上の制御ソフトにより制御される。本例では、予め
測定して記憶してあるスピーカーの放射特性に基づいて、照射パワーを一定に保ちながら
、周波数を或る範囲で掃引するように制御されている。
【００１５】
（固有振動）
音波によって加えられる力は非常に小さいため、通常、健全な構造物の表面はほとんど
振動しない。構造物の内部に図１に示したような空洞欠陥が存在する場合でも、照射され
る音波の周波数が、空洞上部のコンクリート塊の固有振動数から離れている場合には、ほ
とんど振動は起こらない。しかし、音波の周波数が固有振動数に一致した場合には、空洞
上部の扁平なコンクリート塊が太鼓の振動膜のようなたわみ振動を起こし、構造物表面に
は検知可能な大きさの振動が生じる。このたわみ振動の固有振動数は、振動部分の質量と
復元力によって決まるから、コンクリート塊の密度、厚み、面積などと、コンクリートの
弾性特性、空洞形状等の関数となる。
【００１６】
（欠陥部）
たわみ振動の固有振動数と励起される振動振幅とが、空洞上部のコンクリート塊の厚み
と大きさに依存していることから、固有振動数ないしは振動振幅を検知することで、空洞
欠陥の深さと広がりを推定することが可能となる。このことは、本例の、コンクリート構
造物内の空洞欠陥に限らず、構造物に亀裂が入って剥離部分が一種の梁構造を持つ場合、
建物壁面のタイルなど外壁材に浮きが生じている場合、層構造を持つ物体の層間境界の一
部に剥離がある場合などでも同様であり、表面の振動の固有振動数ないしは励起される振
幅の情報から、これらの欠陥の状態を推定することが可能である。
【００１７】
（音響インテンシティー）
音響インテンシティーとは、音響エネルギーの流れを表す量で、その測定方法は、ＪＩ
ＳＺ８７３６にその概要が記載されている。定常音場内のある点における音響インテンシ
ティーＩは、その点の音圧をｐ、粒子速度をｕとすれば、下記（１）式で定義される。
【００１８】
【数１】
2006047162.tif 000003
【００１９】
ただし、ｔは時間を表す。粒子速度ｕがベクトルであるから、音響インテンシティーも
またベクトル量であり、その場所の音響エネルギー流束を表す。また、一般に、音圧と粒
子速度は位相がずれているから、音圧と粒子速度を複素数表現して、音響インテンシティ
ーも複素数で表現される場合がある。なお、信号が周期的であるときは、数１における積
分時間Ｔは周期の整数倍にとればよい。
【００２０】
（二マイクロホン法）
ある点の音響インテンシティーを測定するには、その点の音圧ｐと粒子速度ｕとを検出
すればよい。音圧はコンデンサーマイクロホンのような通常のマイクロホンによって検出
できる。一方、粒子速度は、速度検出型マイクロホン、超音波ドップラー流速計、熱線流
速計等を使用する場合もあるが、最も一般的なのは、本例に示したように、二本の音圧検
出型マイクロホンを使用する方法である。例えば粒子速度のｘ方向成分に関しては、次の
下記（２）式からなる関係式が成り立つから、ｘ方向の音圧勾配から粒子速度のｘ方向成
分を推定することができる。
【００２１】
【数２】
2006047162.tif 000004
【００２２】
ただし、ｐは媒質の密度、またΔｘは二つのマイクロホン間の距離である。なお、音圧
ｐは、下記（３）式に示したように二つのマイクロホンの音圧の平均値によって推定でき
るから、音圧検出用に第三のマイクロホンを用いる必要はない。
【００２３】
【数３】
2006047162.tif 000005
【００２４】
（音響インテンシティー測定）
図２は、パーソナルコンピューター７内部で行う処理のフローを、概念的に示した図で
ある。図２において、１０１は発信制御部であり、音波の発信周波数ｆを制御するととも
に、スピーカーの周波数特性に合わせてゲイン ｋを調節し、スピーカーから照射される
音波のパワーが一定になるように制御している。１０２は発信器であり、発信制御部から
の信号を受けて、周波数ｆの余弦波を発生している。１１１〜１１４は乗算器であり、そ
れぞれ、入力信号の積を出力している。発信器１０２から出力された余弦波信号は、乗算
器１１４でｋ倍されてパワーアンプ８に出力され、スピーカー１から被検査構造物に向け
て照射される。１２１はローパスフィルターであり、入力信号の時間平均値を出力してい
る。１３１，１３２は加算器であり、入力信号に、図示した符号を掛けて加算している。
１４１は積分器で、入力を時間積分して出力している。
【００２５】
増幅器６および６’の出力信号は、それぞれ、ｐ（ｘ＋Δｘ／２）とｐ（ｘ−Δｘ／２
）とに比例している。これら二出力を加算器１３２で加算して乗算器１１８で１／２倍し
た信号は、音圧信号の推定値である。一方、これらの二出力を加算器１３１で減算したの
ち、積分器１４１に通し、定数１／ｐΔｘを乗算した信号は、粒子速度の推定信号となっ
ている。これら二信号を乗算してローパスフィルター１２１で時間平均した信号は、音響
インテンシティーの実数部Ｉｒに等しくなる。１０３は判定部であり、周波数ｆと音響イ
ンテンシティーの実数部Ｉｒに基づいて、後述のように欠陥の推定を行い、表示部７０４
に表示信号を出力している。
【００２６】
放射する音響パワーを一定に保って、音波の周波数ｆを掃引しながら音響インテンシテ
ィーの実数部Ｉｒを測定し、周波数に対してプロットすると図３のようなグラフとなる。
図３ａは対象が健全な場合、図３ｂは空洞欠陥が存在する場合である。コンクリート構造
物が健全な場合には、表面に照射された音波はほとんどすべて反射される。したがって、
表面近傍で測定した垂直方向の音響インテンシティー（実数部）はほとんどゼロとなる。
【００２７】
これに対して、内部に空洞欠陥がある場合に、照射される音波の周波数が欠陥上部のコ
ンクリート塊の固有振動数ｆ０に近づくと、たわみ振動が励起される。このとき、スピー
カーから照射される音響エネルギーの一部は、コンクリート内部に入射し、たわみ振動の
粘性抵抗によって散逸される。このエネルギー散逸分が、表面近傍の垂直方向の音響イン
テンシティー実数部Ｉｒとなって現れる。その大きさは、たわみ振動の固有振動数ｆ０の
近傍で極大となり、周波数に対してプロットしたグラフは、図３ｂのような形状を示す。
【００２８】
空洞が浅く、広がりが大きいほど、音響インテンシティーの実数部Ｉｒの極大周波数ｆ
０は低くなり、極大値は大きくなる。本例では、極大値と極大周波数の逆数（周期）の積
を取って、この値を崩落の危険度を表す指標とし、この指標が一定の閾値を越えた場合に
アラームを出すようにプログラムされている。
【００２９】
（第二実施例）
本発明の第二実施例における測定方法、及び装置の概要を図４に示す。図４において、
１はスピーカー、２０が被検査物であり、本実施例では表面が層構造を持つ工業製品であ
る。２１は工業製品の表面、２２は層と層の間が剥離している欠陥部分、５および５’は
マイクロホン、６および６’は増幅器、７はパーソナルコンピューター、８はパワーアン
プである。本実施例は、同じ規格で多数製造され、表面に層構造を有する工業製品の不良
品検査を行う装置に本発明を適用した例である。被検査対象２０として、新たな製品が次
々と検査装置の下に供給されるが、規格はすべて同一である。本実施例では、マイクロホ
ン５および５’は工業製品の搬送装置のベースに対して固定されている。従って、音圧を
検出する点は、検査対象の表面２１から常に一定の距離だけ隔てた点である。
【００３０】
（音響インテンシティー測定）
図５は、パーソナルコンピューター７上にプログラムされた処理のフローを概念的に示
した図である。図５は、移相器１５１によって、乗算器１１２の出力、すなわち音圧信号
の位相を９０°遅れさせている点を除いて、図２のフローと同一である。音圧信号の位相
を９０°遅れさせることで、ローパスフィルター１２１の出力信号は、音響インテンシテ
ィーの虚数部Ｉiに等しくなる。
【００３１】
（欠陥の推定）
被検査物が健全な良品の場合には、低い周波数から高い周波数にスイープしながら音波
を照射しても、対象表面２１はほとんど振動しない。しかし、内部に剥離が存在する不良
品である場合、照射される音波の周波数が剥離上部の膜構造の固有振動数に近い範囲で、
表面２１が無視できない振動を起こす。この間、対象表面の機械インピーダンスのリアク
タンス分は、負（容量性）から正（誘導性）に変化する。表面２１のごく近傍で音響イン
テンシティーを測定すると、その虚数部の値は、表面の機械的リアクタンスの変化に伴っ
て変化する。音響インテンシティーの虚数部の値Ｉiを、照射する音波の周波数を変えな
がら測定して、記憶しておいた良品の場合の値と比較し、ある閾値を越えて大きい差が観
測される場合には、不良品の可能性が大きいと判定する。
【００３２】
（信号処理）
上記の実施例では、パーソナルコンピューター内のプログラムで、デジタル的に音響イ
ンテンシティーの演算処理を実行している。しかし、音響インテンシティーの演算は、ア
ナログ回路によって実施しても構わないことは言うまでもない。この場合、音響インテン
シティーを演算するまでのすべての処理をアナログ回路で実施する構成も取り得るし、ア
ナログ回路によって前処理を行ってから信号をパーソナルコンピューター内に取り込んで
、以後の処理をデジタル的に実施する構成も取りうる。また、マイクロホンの信号をパー
ソナルコンピューター内に取り込んで、全処理をデジタル的に行う場合には、直ちに信号
をフーリエ変換して、周波数領域で処理を行うようにしても良い。要するに、図２および
図５は、音響インテンシティーを算出する処理のフローを概念的に示しているのであって
、実際の処理は、公知の方法のいずれを用いても構わない。
【００３３】
（走査）
実施例による説明でもわかるとおり、本発明の検査装置は構造が簡単で小型化が可能で
あり、かつ非接触に検査ができるので、検査装置を、構造物の上下左右方向、あるいは周
囲を回転して走査させることが容易である。また、検査部を複数準備して一次元的に配置
した検査装置を用いて、例えばトンネルのような大きな構造物の欠陥を１回走査させるの
みで二次元的に把握することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明の装置、および検査方法は、構造物の検査方法及び検査装置、特に、コンクリー
ト構造物の欠陥部検出、建築物壁面の欠陥部検出、層構造表面を持つ物体の剥離検出等に
好適である。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】図１は、本発明の第一の実施例を示した概略図である。
【図２】図２は、本発明の第一実施例における音響インテンシティー算出処理を示す概            念図である。
【図３】図３は、音響インテンシティーを周波数に対してプロットしたグラフ図である。aは健全な被検査構造物の場合、ｂは内部に空洞欠陥をもつ構造物の場合のグラフである。
【図４】図４は、本発明の第二実施例の構成を示す図である。
【図５】図５は、本発明の第二実施例における音響インテンシティー算出処理を示す概念図である。
【符号の説明】
【００３６】
１      スピーカー  
２      被検査物体
３      被検査物体表面
４      空洞
５、５’  マイクロホン
６、６’  増幅器
７      制御装置
８      パワーアンプ
２０    層構造表面を持つ工業製品
２１    工業製品２０の表面
２２    層の剥離部分
２３    搬送装置
１０１  発信制御部
１０２  発信器
１０３  判定部
１０４  表示部
１１１〜１１４  乗算器
１２１  ローパスフィルター
１３１，１３２  加算器
１４１  積分器
１５１  移相器
【図１】
2006047162.tif 000006
【図２】
2006047162.tif 000007
【図３】
2006047162.tif 000008
【図４】
2006047162.tif 000009
【図５】
2006047162.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成16年8月26日(2004.8.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２２】
ただし、ρは媒質の密度、またΔｘは二つのマイクロホン間の距離である。            なお、音圧ｐは、下記（３）式に示したように二つのマイクロホンの音圧の平均値によって推定できるから、音圧検出用に第三のマイクロホンを用いる必要はない。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２５】
増幅器６および６’の出力信号は、それぞれ、ｐ（ｘ＋Δｘ／２）とｐ（ｘ−Δｘ／２）とに比例している。これら二出力を加算器１３２で加算して乗算器１１８で１／２倍した信号は、音圧信号の推定値である。一方、これらの二出力を加算器１３１で減算したのち、積分器１４１に通し、定数１／ρΔｘを乗算した信号は、粒子速度の推定信号となっている。これら二信号を乗算してローパスフィルター１２１で時間平均した信号は、音響インテンシティーの実数部Ｉｒに等しくなる。１０３は判定部であり、周波数ｆと音響インテンシティーの実数部Ｉｒに基づいて、後述のように欠陥の推定を行い、表示部７０４に表示信号を出力している。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2006047162.tif 000011
【手続補正４】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２】
2006047162.tif 000012
【手続補正５】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図５】
2006047162.tif 000013